FISICOQUIMICA TERMODINAMICA UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CURSO BASICO FISICOQUIMICA (QMC-206
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FISICOQUIMICA
TERMODINAMICA
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CURSO BASICO FISICOQUIMICA (QMC-206)
GUIA EJERCCIOS (SEGUNDO PARCIAL) ASESOR: ING.ALEXIS IRIARTE GAMBOA
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 1. 1 mol de gas ideal monoatómico a 27°C y 8 atm se expande adiabáticamente hasta una presión final de una atmosfera contra una presión de opositora de 1 atm. Calcular: a) La temperatura final del sistema Rpta. 195 K b) El trabajo desarrollado Rpta. 313 Cal. c) La variación de energía Interna Rpta. -313 Cal. d) La variación de la Entalpia Rpta. -521,6 Cal. e) La cantidad de calor intercambiado Rpta 0 Cal. 2. Dos botellas de igual volumen se unen entre sí mediante un tubo por una llave de paso, en una de las botellas cuyo volumen es igual a 10 litros, se encuentra 5 moles de gas carbónico a 20°C la segunda botella de volumen V 1 se bombea Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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hasta alcanzar un alto vacío, se abrió la llave y el gas se expande isotérmicamente, considere que el gas se somete a la ecuación de Van der Walls. Determinar. Considere para el gas: 𝜕𝑈 𝑎 𝑎𝑚𝑡 ∗ 𝑙 2 ) = 2 ; 𝑎 = 3,62 𝜕𝑉 𝑇 𝑉 𝑚𝑜𝑙 2 a) La variación de energía Interna Rpta. 458,8 J b) La variación de la Entalpia Rpta. 783,24 J (
𝑏 = 0,043
𝑙 𝑚𝑜𝑙
3. Un cilindro adiabático está dividido en dos compartimentos A y B por un pistón impermeable al calor y que puede desplazarse sin rozamiento. En el estado inicial cada compartimiento contiene 1 mol de gas di-atómico ideal a 1 atm y 300K. Por medio de una resistencia eléctrica de capacidad calorífica despreciable se aporta lentamente energía al compartimiento “A” con lo cual el gas de dicho compartimento se calienta. El gas del compartimiento “B” se comprime y alcanza finalmente el estado de equilibrio con una temperatura de 350K. Determinar la cantidad de calor aportado por la resistencia. Rpta. 8,92 KJ 4. Calcule el trabajo en ergios sobre un mol de gas a 25°C, cuando la presión varía adiabáticamente y reversiblemente desde 1 atm a 5 atm. Considere Cv= 5 cal/mol K Rpta. -3,6*1010 Erg 5. Un mol de un gas experimenta una expansión en una sola etapa contra una presión opuesta constante a temperatura constante de 300 K, desde 10 atm hasta 5 atm ¿Cuál es la máxima masa que se puede levantar hasta una altura de 10cm en esta expansión? Rpta. 1271,25 Kg
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6. Un gas ideal se expande a temperatura constante de 25°C, desde 36 atm hasta 3,1 atm en dos etapas. ¿Cuál es el valor máximo del trabajo realizado? Rpta. 3,5KJ/mol 7. Un cilindro vertical de paredes adiabáticas y 100cm de altura está dividido en dos partes por una membrana impermeable que se encuentra a 50cm de la base la parte superior del cilindro se encuentra cerrada por un pistón adiabático sobre el que se ejerce una presión exterior constante. Inicialmente la parte inferior está vacía, mientras que la parte superior contiene un mol de gas ideal monoatómico a 300K encontrándose el pistón a 100cm de altura. En un momento determinado se rompe la membrana y, consecuencia el pistón desciende. Determinar la altura a la que se detiene el pistón unas ves que se ha alcanzado el equilibrio. Rpta. 66cm. 8. (II/2020) Un conjunto de un pistón con un cilindro tiene 1Kg de gas propano a 700KPa y 40°C. El área de la sección transversal del pistón es de 0,5m 2 y la fuerza externa total que sujeta al pistón es directamente proporcional al volumen del cilindro elevado al cuadrado. Se transfiere calor al propano hasta que su temperatura alcanza 1100°C. considere que los calores específicos son constantes con la temperatura. Propiedades del propano 𝐶𝑝 = 1,6794𝐾𝐽/ 𝐾𝑔 𝐾 𝐶𝑉 = 1,4909𝐾𝐽/𝐾𝑔 𝐾 Determinar: a) La presión final dentro del cilindro en KPa. Rpta. 1875KPa b) El trabajo que realiza el propano en KJ. Rpta. 66,62KJ c) La cantidad de calor transferida durante el proceso en KJ. Rpta. 1647KJ 9. Ocho gramos de oxígeno a 27°C bajo una presión de 15,4984Kgf/cm2 se expanden adiabáticamente y reversiblemente hasta la presión final de 2,06645Kgf/cm2. Hallar la temperatura final, el trabajo realizado en el proceso y el valor de la energía interna en el proceso. Rpta. -104,3°C ∆𝑼 = −𝟔𝟖𝟐, 𝟐𝟕 𝑱; 𝑾 = 𝟔𝟖𝟐, 𝟐𝟕 𝑱 10. Una esfera elástica de 0,5 m de diámetro contiene gas a 115Kpa. El calentamiento de la esfera la dilata hasta 0,62m de diámetro, y durante este proceso la presión es proporcional al diámetro de la esfera. Determinar el trabajo realizado por el gas. Rpta. 1,84Kcal. Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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11. Un globo esférico tiene un diámetro de 0,3 m y contiene aire a una presión de 200KPa. El diámetro del globo aumenta a 0,5 m debido al calor y durante este proceso la presión es proporcional al diámetro. Calcular el trabajo efectuado por el aire durante este proceso. Rpta. 14,242KJ 12. El lado izquierdo de un recipiente de volumen constante contiene aire, y está separado del lado derecho, que está vacío mediante un diafragma. El diafragma se rompe y el aire se expande por completo. Encuentre la temperatura final del sistema. Rpta. 20°C 13. Dos recipientes térmicamente aislados están conectados por un estrecho tubo equipado con una válvula que inicialmente está cerrada. Uno de los recipientes, de 16,8 L de volumen, contiene oxígeno a una temperatura de 300K y una presión de 1,75atm. El otro, recipiente de 22,4 L de volumen, contiene oxígeno a una temperatura de 450K y una presión de 2,25 atm. Cuando la válvula se abre, los gases de los dos recipientes se mezclan. Determinar la presión y temperatura final del sistema. Rpta. 380K y 2,04atm. 14. Una botella plástica de 2L explota como consecuencia de que un camión pasa sobre ella. Esta botella contenía aire que estaba presurizada a 15,5 atm y 27°C. ¿Cuál será el valor de la energía liberada, como consecuencia de la explosión? (desprecie la energía empleada para arrancar, calentar e incluso fundir el plástico). Asumir que el aire es diatónico a la presión atmosférica. Rpta. 2100 J 15. Una sala de cine de exhibición cinematográfica, cuyas dimensiones son 50m*40m*20m, se prepara un espectáculo y tiene que calentarse desde 3°C hasta 77°F. ¿Cuántos calentadores portátiles de 1,5KW que operan por día, serían necesarios para este propósito? La presión permanece a 66Kpa durante el proceso de calentamiento (Cv=29J/mol K; incluyendo todo lo existente en la sala). Rpta. 7 calefactores. Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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16. Se permite el ingreso de aire atmosférico (P0=0,7atm, T0=20°C) a un recipiente rígido y adiabático de volumen V=1,5m3 inicialmente vacío, hasta que en el mismo se alcanza la presión P0, CV=4,9cal/mol K. Calcular: a) Los ‘’n’’ moles de aire que ingresan al recipiente y la variación de energía interna. Rpta. 44,42mol b) Si el recipiente contiene inicialmente una cantidad de ‘’n’’ moles a P1=0,7atm y T1=90°C, determinar los ‘’n’’ moles que ingresan y la variación de energía interna. Rpta. 35,27mol y 12097,61 cal 17. La temperatura de la bomba de un calorímetro se elevó en 1,617K cuando se pasó una corriente de 3,2 A durante 27 segundos, proveniente de una fuente de 12 V. ¿Cuál es la capacidad calorífica del calorímetro? Rpta. 641,2J/K 18. (II/2019) Un pistón de 653Kg de masa es mantenido en una posición inicial dentro de un cilindro mediante un pasador. El cilindro tiene una sección transversal de 929cm2, el volumen inicial del gas dentro del cilindro es de 56,64L y está a una presión de 10atm. Se puede suponer que el fluido de trabajo obedece la ecuación de estado del gas ideal. El cilindro tiene un volumen total de 141,6L y su extremo superior está abierto a la atmosfera circundante cuya presión es de 1atm. Si el pistón asciende sin rozamiento en el cilindro cuando se quita el pasador y si el gas dentro del cilindro es mantenido a temperatura constante. ¿Cuál será la velocidad del pistón cuando abandona el cilindro? 19. (I/2020) Una cierta cantidad de gas triatómico que se comporta idealmente experimenta un cambio isométrico reversible desde una presión de 16,75atm hasta una presión de 7,47atm al finalizar el proceso de determino que el calor transferido es de 42000cal con una variación de temperatura de -678K. Determinar el volumen del sistema en litros. 20. (I/2018) Un mol de agua se comprime reversiblemente en una maquina en una prensa hidráulica, a la temperatura constante de 20°C, desde la presión inicial de una atmosfera hasta la presión final de cien atmosferas. Calcúlese el trabajo realizado en el proceso sabiendo que, a esta temperatura, el coeficiente de compresibilidad isotermo y la densidad valen 45,30*10-6atm-1 y 0,9982g/cm3, respectivamente. Rpta. -0,82J Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA CAMBIOS DE ESTADO 21. Las densidades del hielo y del agua a 0°C son 0,9168 y 0,9998 g/cm 3 respetivamente. Si ∆H para el proceso de fusión a presión de 1atm es 6,025 Kj/mol. ¿Qué trabajo se efectúa sobre el sistema? Y cuál es el cambio de la energía interna. Rpta. W=-0,165J y ∆U=6025,165J 22. Calcular la variación de energía interna que tiene lugar cuando 1000 g. De agua pasan del estado gaseoso a 100°C a hielo a 0°C (presión atmosférica normal). ∆Hfus = 80cal/g; ∆Hvap = 540cal/g. Rpta. ∆U= -678,85Kcal. 23. (I/2018) Calcular la variación de energía interna que tiene lugar cuando 1000g de agua, pasan del estado vapor a 100°C a líquido a 0°C (a la presión normal atmosférica de la ciudad de La Paz). Cp(hielo)=0,5cal/g K, Cp(vap)=7,9cal/mol K ∆Hfus=80cal/g; ∆Hvap=540cal/g. Rpta. 24. En una tetera eléctrica de 1200 W de potencia y 0,5 Kg de masa tiene una capacidad calorífica de 0,7KJ/Kg °C, contiene 1,2Kg de agua a 15°C ¿Cuánto tiempo tardara en hervir el agua? a) A nivel del mar Rpta. 6,33min b) En la ciudad de La Paz Rpta.5, 37min 25. A una tetera eléctrica (Silbadora) aislada térmicamente se vierte 1dm 3 de agua a la temperatura de 68°F, la especificación de la tetera indica 4265,18 BTU/h y el metal de la tetera equivale a 20cc de agua. ¿Cuánto tiempo durara el silbido de la tetera?, el experimento se realiza a nivel del mar, 1BTU=252cal, ∆Hfus = 80cal/g; ∆Hvap = 540cal/g. Rpta.30,12min 26. Determinar el Q, ∆H, ∆U para el calentamiento de 45g de hielo desde -40°C hasta 150°C considerando ∆Hfus = 80cal/g; ∆Hvap = 540cal/g; ;
𝐶𝑃 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑅
= 9,056;
𝐶𝑃 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑅
𝐶𝑃 ℎ𝑖𝑒𝑙𝑜 𝑅
= 0,1706 + 0,0158𝑇
= 3,186 + 0,002308𝑇
Rpta. 143,22KJ, 143,22KJ; 135,47KJ Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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27. Un termo Dewar (sistema adiabático), de capacidad calorífica 480J/K, contiene inicialmente 60 g de agua a 290K a la presión de 1bar. Posteriormente se le adiciona una llave de bronce de 12,5 g a la temperatura de 293K y un trozo de hielo (273K) de 20g que funde completamente cuando se alcanza el equilibrio térmico. ¿Cuál es la temperatura final al interior del Dewar?𝐶𝑝𝐵𝑟𝑜𝑛𝑐𝑒 = 0,393𝐽/𝑔 𝐾 𝐶𝑝𝐴𝑔𝑢𝑎 = 4,18𝐽/𝑔 𝐾 ∆Hfus = 333J/g. Rpta. 280 K. 28. Una fuente de calor proporciona 6000 W durante 1000 segundos a 20Kg de hielo, que inicialmente se encuentra a 0°C. Suponga que no existe perdidas de calor en los alrededores. Determinar el estado final del de este hielo. ∆Hfus = 80cal/g; ∆Hvap = 540cal/g. Rpta. 29. En La Paz (teb = 90°C) 4 litros de agua líquida, inicialmente a 15°C, están contenidos en una tetera silbadora. Si el proceso se lleva a cabo en una cocina que funciona con GLP (cuya composición es del 80% de Propano y el resto Butano) donde solo se aprovecha el 70% del calor desarrollado por la cocina. La caldera tiene una equivalencia calorífica igual a 400 g de agua. Considerando: Poder Calorífico del propano 11945cal/g y Butano 11342cal/g. ∆Hfus = 80cal/g; ∆Hvap = 9720cal/mol. La garrafa de GLP cuesta 22,5 Bs. Y dura 24 Horas de trabajo continuo. a) El tiempo que debe transcurrir, hasta que la caldera deje de silbar Rpta. 43,32 min. b) El costo de dicho proceso. Rpta. 0,677 Bs. 30. En la ciudad de la Paz, 500g de agua (teb = 90°C) inicialmente a 15°C se agitan mecánicamente, suministrándose al mismo tiempo 30Kcal (ver Figura.) como resultado se observa que el agua se calienta, hierve y se vaporiza completamente ¿Qué cantidad de trabajo realizo el agitador? Suponer que no existe otras pérdidas de calor y que el comportamiento del gas es ideal. ∆Hvap = 540cal/g. Rpta. 277,5 Kcal.
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31. (II/2020) Calcular la variacion de entalpia, en calorias, para la congelación de (solidificación) de 1mol de hierro sobreenfriado a 1450°C; suponiendo que los valores de Cp pueden considerarse independientes de la temperatura. Sustancia Tf(°C) Tv(°C) 103x∆Hf 103x∆Hfv Cps Cpl UMA (J/Kg) (J/Kg) (cal/g-K) (cal/g-K) Hierro Cobre Plomo Aluminio Agua
1539 1083 327 660 0
6300 5410 880 9220 100
293 214 22,5 394 334400x103
6300 5410 880 9220 2257200x103
0,11 0,092 0,031 0,219 0,5
0,161 0,123 0,034 0,296 1
56 64 207 27 18
COEFICIENTE DE JOULE-THOMPSON 32. La temperatura de ebullición del nitrógeno es -196°C y Cp=5cal/mol K. Las constantes de Van der Waals para el N2 son 𝑎 = 1,34
𝑎𝑚𝑡∗𝑙2
𝑙
𝑏 = 0,039 𝑚𝑜𝑙 .
𝑚𝑜𝑙 2
¿Cuál es la presión inicial si la temperatura del nitrógeno desciende desde 25°C hasta la temperatura de ebullición en expansión de Joule-Thompson de una sola etapa? El coeficiente de Joule Thompson para un gas de Van der Waals está dado por: 2𝑎 −𝑏 𝑅𝑇 𝜇𝐽𝑇 = 𝐶𝑝 Rpta. 352,76 atm. 33. El coeficiente de Joule-Thompson para un gas de Van der Waals esta dado ´por: 2𝑎 −𝑏 𝑅𝑇 𝜇𝐽𝑇 = 𝐶𝑝 Calcular ∆H para la compresión isotérmica a 300K desde 1 atm hasta 500atm, con las constantes de van de Waals 𝑎 = 1,34
𝑎𝑚𝑡∗𝑙2 𝑚𝑜𝑙2
𝑏 = 0,039
𝑙 𝑚𝑜𝑙
Rpta. 845,72 cal/mol. 34. A 300°C y presión que varía entre (0-60 Atmosferas), el coeficiente de JouleThompson para el nitrógeno gaseoso se representa por la siguiente ecuación: 𝜇𝐽𝑇 = 0,0142 − 2,6 ∗ 10−4 𝑃 P está en atmosferas Suponiendo que la misma es independiente de la temperatura en las proximidades de los 300°C. Hallar el descenso de temperatura en la expresión del Joule-Thompson del gas desde 60,78Bar hasta 294 PSI. Rpta. 0,512°C. Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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TERMOQUIMICA 35. Si se queman completamente 3,0539 g de alcohol líquido a 25°C en una bomba calorimétrica, el calor desprendido es 90,497KJ. a) Calcular la entalpia molar de combustión para el alcohol etílico a 25°C Rpta. ∆Hcom=1364,84KJ/mol. b) Si los calores de formación de dióxido de carbono y del agua son: 94,05Kcal/mol y -68,32Kcal/mol, respetivamente, calcular el calor de formación del alcohol etílico. Rpta. ∆HForm =-719,27 Kcal. 36. Una cierta batería obtiene energía para su desarrollo oxidando el etano en dos etapas, como se indica: 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻(𝑙) + 1⁄2 𝑂2 → 𝐶𝐻3 𝐶𝐻𝑂(𝑙) + 𝐻2 𝑂 𝐶𝐻3 𝐶𝐻𝑂(𝑙) + 1⁄2 𝑂2 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑙) Con aumento de entalpia en la combustión completa hasta CO 2 y H2O de los tres compuestos son: COMPUESTO ∆H°com (KJ/mol) ETANOL -1370,7 ACETALDEHIDO -1167,3 ACIDO ACETICO -876,1 Calcular ∆H°R para ambas reacciones. Rpta. -203,4 KJ/mol; -291,2KJ/mol 37. Las entalpias de combustión de ciclo propano, grafito e hidrogeno(H2), cuando se queman hasta dióxido de carbono y agua, son -2091 KJ/mol, -393,5 KJ/mol, 285,8KJ/mol. Calcular: a) La entalpia de formación del ciclo propano Rpta. 53,1 KJ/mol b) La entalpia de isomerización del ciclo propano a propileno Rpta. -32,6KJ/mol 38. La combustión de Di borano libera 482,9 Kcal/mol en condiciones estándar. En la combustión de boro metálico también se forma B2O3(S) con liberación de 302 Kcal/mol. El calor de combustión de H2 hasta agua es forma de vapor es 57,8Kcal/mol. Calcular ∆H y ∆U para la formación de di borano. 𝐵2 𝐻6 (𝑔) + 3𝑂2 → 𝐵2 𝑂3 (𝑠) + 3𝐻2 𝑂(𝑔) Rpta. 7,5Kcal/mol; 8,3Kcal/mol Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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39. Calcular
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el calor de reacción a 1000°C 𝑜 1⁄ 𝐻 1 ∆H = −93,312𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 2 2 (𝑔) + ⁄2 𝐶𝑙2 (𝑔) → 𝐻𝐶𝑙(𝑔) Cp = R (a +bT+cT2 +dT3) (J/mol °K) A B*103 C*106 H2
3,4958
-0,1006
2,419
Cl2
3,8122
1,2200
-4,856
HCl
3,3876
0,2176
1,860
para:
Rpta. -95,911 KJ/mol. 40. En un vaso de precipitado abierto a 25°C y 1 atmosfera de presión, se hacen reaccionar 100g de zinc con ácido sulfúrico. Calcule el trabajo realizado por el hidrogeno gaseoso que se libera. Suponiendo que se comporta de manera ideal. Rpta. 3,79 KJ 41. (II/2018) En un vaso de precipitado abierto a 25°C y 1 atmosfera de presión, se hacen reaccionar 10g de zinc con 30cm3 de una solución de ácido sulfúrico al 40% en peso y densidad 1,84g/cm3. Calcule el trabajo realizado por el hidrogeno gaseoso que se libera, suponiendo que se comporta de manera ideal. Rpta. 381,16J 42. (II/2019) Determinar el cambio de energía interna en calorías, que se produce durante la reacción de un mol de hidrogeno con medio mol de oxígeno en condiciones estándar de P y T sabiendo que los gases obedecen a:
43. (I/2019) A partir de los datos a 25°C: 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑙) + 2𝑂2(𝑔) → 2𝐶𝑂2(𝑔) + 2𝐻2 𝑂(𝑙) ∆𝐻 0 = −871,5 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂(𝑙) → 𝐻2 𝑂(𝑔) ∆𝐻 0 = 40,656 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 La siguiente entalpia se da a 391,4K. 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑙) → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑔) ∆𝐻391,4𝐾 = 24,4 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 Calcúlese la cantidad de energía liberada a volumen constante cuando 4Kg del ácido acético gaseoso combustiona a 391,4K de acuerdo a: Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑔) + 2𝑂2(𝑔) → 2𝐶𝑂2(𝑔) + 2𝐻2 𝑂(𝑔)
Rpta. -54558KJ 44. (I/2020) Para la reacción:
𝐹𝑒2 𝑂3(𝑠) + 𝐻2(𝑔) → 𝐹𝑒(𝑠) + 𝐻2 𝑂(𝐿) El valor de ∆U a 80°C es de -5095,76cal. A partir de los siguientes datos. Calcular el calor de formación a volumen constante. A 298K de 200g de oxido férrico SUSTANCIA
𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑(𝑺) 𝑭𝒆(𝑺) 𝑯𝟐(𝑮) 𝑯𝟐 𝑶(𝑳)
𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 ¿?
23,49+ 18,6*10-3T
0
6,1
0
6,9469-0,199x10-3T+4,8x10-5T2
68,31
18
𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
45. Un método para la fabricación de gas de síntesis (principalmente una mezcla de CO con H2) con vapor de agua a baja temperatura y presión constante (1atm). La única ecuación adicional que se presenta es el desplazamiento del agua:
𝐶𝐻4 (𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑔) → 𝐶𝑂(𝑔) + 3𝐻2 (𝑔) 𝐶𝑂(𝑔) +𝐻2 𝑂(𝑔) → 𝐶𝑂2 (𝑔) + 𝐻2 (𝑔) Si la alimentación consiste en 2 moles de vapor de agua por cada mol de CH 4 y se proporciona calor al reactor de modo que los productos alcanzan la temperatura de 1300K entonces el metano se convierte completamente y el flujo de productos contiene 17,4% (mol) de CO. Los reactivos se precalientan a 600K. Calcular la cantidad de calor proporcionad al reactor. 𝑲𝑱 Cp = a +bT+cT2 +dT3 (J/mol K) ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 a b*102 c*105 d*109 CH4
34,31
5,469
0,3661
-11,00
-74,85
CO
28,95
0,4110
0,3548
-2,220
-110,52
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H2O
33,46
0,6880
0,7604
-3,593
-241,83
CO2
36,11
4,233
-2,887
7,464
-393,5
H2
28,84
0,0765
0,3288
-0,8698
Rpta. 328Kcal/mol 46. En un quemador enfriado por agua a presión constante se quema acetileno a 1atm, se suministra el doble de cantidad estequiometria de aire, los reactivos están a 40°C, los productos salen a 90°C. el flujo total de productos es de 5,5Kg/min. El agua de enfriamiento entra a 15°C y sale 80°C. ¿Cuál es el flujo de agua requerido? Compuesto C2H2 CO2 H2O O2 N2 ∆𝑯𝟎 (
𝑪𝒂𝒍 ) 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
54194
-94052
-57798
11,7
9,35
8,41
6,55
6,82
Rpta. 34,405 Kg/min
TEMPERATURA DE LLAMA 47. Un gas natural cuyo análisis cromatógrafo da la composición volumétrica de 80% de metano y el resto Nitrógeno, es quemado con el 60% de exceso de aire húmedo (saturado al 80%). Si los gases de salida (en cuanto al carbono se refiere) tiene una composición volumétrica de 50%CO2 y 50%CO. ¿Cuál será la máxima temperatura que se debe esperar alcanzar? Todos los gases se alimentan a 60°C. Pv*=250mmHg. Compuesto CH4 CO2 H2O O2 N2 CO 𝑪𝒂𝒍 50168 ∆𝑯𝟎 ( ) 94052 57798 26216 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
12.,2
9,4
8,25
7,25
6,9
6,34
Rpta. 2435 K 48. Cuál será la temperatura de llama adiabática cuando 200g de un gas de composición volumétrica 75% de metano y el resto un gas inerte (Cp=5cal/mol K) se queman en la ciudad de La Paz (P=500mmHg) con aire húmedo que se
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alimenta a 60°C. se usa el 80% de exceso estequiometrico de aire. Pv*=102,51mmHg. Compuesto CH4 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 50168 ∆𝑯𝟎 ( ) 94052 57798 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
12.,2
9,4
8,25
7,25
6,9
Rpta. 1868 K 49. Un ingeniero desea diseñar un horno y deberá calcular la temperatura más elevada que soportaran las paredes del horno, de esta forma elegir un material de construcción adecuado, para ello se quema un gas que tiene una composición en peso del 97% de propano y el resto un gas inerte (Cp=5cal/mol K; PM= 4g/mol) que es alimentado a 40°C con aire húmedo precalentado a 50°C, si se usa un 50% de exceso de aire. Pv*=92,51mmHg. Determinar la temperatura de llama adiabática. Compuesto C3H8 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 24820 94052 57798 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
17,6
9,4
8,25
7,25
6,9
Rpta. 1744,5 K 50. En la obtención de hierro metálico en el mutún (se puede suponer que prácticamente está a nivel del mar), la temperatura de trabajo en los hornos de fusión debe superar los 1600°C. si se usa como combustible un gas equimolar de propano y butano con un 40% en exceso de aire húmedo con una humedad relativa del 80% que ingresa a 50°C. Demostrar mediante cálculos si este combustible es conveniente o no. Pv*=92,51mmHg. Compuesto C3H8 C4H10 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 24820 29812 94052 57798 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍 17,6 21,0 9,4 8,25 7,25 6,9 Cp ( ) 𝒎𝒐𝒍∗°𝑪
Rpta. El combustible si es el recomendado 51. En la ciudad de Santa Cruz que se encuentra a 416m.s.n.m., un ingeniero desea diseñar un horno y debe calcular la temperatura más elevada que soporten los refractarios del horno, de esta forma elegir un refractario adecuado, para la construcción, para ello se quema una mezcla de gas de acetileno y etileno que es alimentada a 95°F, este se mezcla con aire húmedo precalentado cuya Ing. Alexis Iriarte Gamboa
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temperatura es de 32°Re en comparación con la temperatura de la mezcla gaseosa inicial. El aire húmedo tiene una humedad relativa del 60%, se usa un 40% de exceso de aire y se tiene un rendimiento del 80%. Para determinar la composición de la mezcla gaseosa inicial, se introduce en un eudiómetro 30cc de la mezcla con 100cc de oxigeno el cual se encuentra en exceso, después de la combustión queda un residuo gaseoso de 75cc.Determinar la temperatura de llama adiabática en Kelvin. Pv*=289,49mmHg. Compuesto C2H2 C2H4 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 54098 12524 ∆𝑯𝟎 ( ) 94052 57798 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍 12,13 10,1 9,4 8,25 7,25 6,9 Cp ( ) 𝒎𝒐𝒍∗°𝑪
52. 10 Kg de un hidrocarburo a 10°C se quema con aire húmedo precalentado que se encuentra a 70°C y con 50% de humedad relativa se usa un 70% de exceso de aire húmedo y se tiene un rendimiento del 80%. Para determinar la estructura del hidrocarburo se queman 16 ml del mismo con 92 ml de oxígeno, después de la combustión queda un residuo gaseoso de 60 ml que al ser tratados con potasa caustica se reduce a 12 ml. Determinar: La temperatura de llama adiabática (Pv*=234,03mmHg) Compuesto Hidrocarburo CO2 H2O O2 N2 𝑱 -103916,376 ∆𝑯𝟎 ( ) 393776,914 241988,666 𝒎𝒐𝒍 𝑱 75,1112 39,3559 34,5411 30,3543 28,8889 Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪) Rpta. 1405,34K 53. (II/2021) 100 Kg de un hidrocarburo a 10°C se quema con aire húmedo precalentado que se encuentra a 70°C y con 60% de humedad relativa se usa un 80% de exceso de aire húmedo y se tiene un rendimiento del 80%. Para determinar la estructura del hidrocarburo se queman 16 ml del mismo con 116 ml de oxígeno, después de la combustión queda un residuo gaseoso de 76 ml que al ser tratados con potasa caustica se reduce a 12 ml. Determinar: La temperatura de llama adiabática (Pv*=234,03mmHg) Compuesto Hidrocarburo CO2 H2O O2 N2 𝑱 -124614,16 -393776,914 -241988,666 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 𝑱 99,528 39,3559 34,5411 30,3543 28,8889 Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
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54. Cuál será la temperatura de llama adiabática cuando 300g de un gas de composición volumétrica 90% de metano y el resto un gas inerte (Cp = 5cal/mol K) se queman en la ciudad de La Paz (P=500mmHg) con aire húmedo que se alimenta a 80°C, con un exceso del 75% estequiometrico de aire. El producto de la combustión (en cuanto a carbono se refiere) contiene 84% CO2 y el resto CO (en porcentaje molar). Pv*=355,1mmHg. Compuesto CH4 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 50168 ∆𝑯𝟎 ( ) 94052 57798 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
12,2
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
9,4
8,25
7,25
6,9
Rpta. 5977,8K 55. (I/2018, II/2018 y I/2020) Se desea probar un nuevo combustible variando la composición de los componentes del GLP, se desea obtener una temperatura máxima de combustión de 3092°F, esta mezcla combustiona en un motor estacionario a nivel del mar con un 40% en exceso de aire húmedo (humedad relativa del 80%) que ingresa a 50°C (Pv*=92,51mmHg). Para determinar la composición de la muestra, un volumen de esta se combustiona con 207,5cm 3 de oxígeno, que al volver a las mismas condiciones de presión y temperatura queda un volumen residual de 35cm3. Demostrar mediante los balances de masa y energía si el nuevo combustible puede ser usado para este fin. Compuesto C3H8 C4H10 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
24812
29812
94052
57798
17,6
21,0
9,4
8,25
7,25
6,9
Rpta. 1751°C 56. (I/2019) Etano gaseoso y aire a 25°C entran en una cámara de combustión a 1atm de presión. Los productos de la combustión salen a 1100K. Si el porcentaje de aire en exceso es de un 15% y la combustión es completa, determinar la perdida de calor por kilogramo de combustible (C2H6). Compuesto C2H6 O2 N2 CO2 H2O 𝑪𝒂𝒍 -84,7 0 0 -393,51 -241,814 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 𝑱 52,6 29,35 29,12 37,11 33,577 Cp (𝒎𝒐𝒍∗𝑲)
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57. Mil gramos de etano se queman, inicialmente con el 10% en exceso de oxígeno puro y luego otra cantidad similar (mil gamos) con la misma proporción, pero de aire seco. Determinar el porcentaje de decremento de la temperatura de llama resultante. Compuesto C2H6 CO2 H2O O2 N2 𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
601288
-94052
-57798
12,2
9,4
8,25
7,25
6,9
Rpta. 67,5% 58. (II/2019) En la ciudad de La Paz, se realiza la quema de una muestra de 100 litros de un compuesto orgánico puro de peso específico 930N/m 3 que se encuentran a 40°C con una humedad relativa del 50%, si se usan 30%de exceso de aire húmedo y se tiene un rendimiento del 90%. Se sabe que 0,8g del compuesto orgánico se queman y producen 1,1g de dióxido de carbono y 0,9g de agua. Determinar la temperatura de llama adiabática. Pv*(40°C) =55,32mmHg.
59. El Texaco es un proceso de oxidación parcial, destinado a la producción de hidrogeno para síntesis de amoniaco, para ello se hace reaccionar un hidrocarburo gaseoso con oxígeno puro. Las reacciones parciales que tiene lugar son las siguientes:
𝐶𝑋 𝐻18 + 𝑂2 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 𝐶𝑋 𝐻18 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 Sabiendo que el 90% del hidrocarburo se oxida de manera incompleta y que la máxima temperatura adiabática de llama que se alcanza en el proceso es de 1600K calcular el valor de “X”
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Compuesto
CxH18
CO2
CO
𝑪𝒂𝒍 ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍
59880
94052
26416
42,0
11,5
7,5
𝑪𝒂𝒍
Cp (𝒎𝒐𝒍∗°𝑪)
O2
H2
7,8
7,4
Rpta. 8 60. Una mezcla equimasica de metano propano y monóxido de carbono a 40°C se quema con exceso de 20% de aire húmedo al 80% y 60°C, en la ciudad de La Paz. La presión de vapor a 60°C es de 149,38mmHg. Calcular la temperatura de llama adiabática que alcanzan los productos. 𝑲𝑱 Cp = a +bT+cT2 +dT3 (J/mol K) ∆𝑯𝟎 ( ) 𝒎𝒐𝒍 a b*102 c*105 d*109 CH4
34,31
5,469
0,3661
-11,00
-74,85
C3H8
68,32
22,59
-13,11
31,71
-103,8
CO
28,95
0,4110
0,3548
-2,220
H2O
33,46
0,6880
0,7604
-3,593
CO2
36,11
4,233
-2,887
7,464
110,52 241,83 -393,5
N2
29,00
0,2199
0,5723
-2,871
29,10
4,233
-2,887
7,464
O2 Rpta. 1597 K
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